JP2011220134A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２種類の燃料を使用可能なバイフューエルの内燃機関において、触媒の劣化判定の精度を向上させること。
【解決手段】本内燃機関１００の制御装置８０は、第１燃料及び第２燃料を燃焼するための燃焼室１０と、燃焼室１０からの排気ガスが導入される排気路４４と、排気路４４に設けられ、排気ガスを浄化する第１触媒５０と、第１触媒５０の劣化度を取得する劣化度取得手段６０と、劣化度取得手段６０に設けられ、水素成分を浄化する第２触媒と、第１燃料の使用時に取得された第１触媒５０の第１劣化度と、第２燃料の使用時に取得された第１触媒５０の第２劣化度を比較して、第２触媒の劣化を判定する判定手段８０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

従来から、複数種類の燃料を切り替えて使用可能な内燃機関が知られている。例えば、気体燃料としてのＣＮＧ（Compressed Natural Gas）と、液体燃料としてのガソリンを併用することのできる内燃機関が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

上記燃料が燃焼した後の排気ガスには、ＣＯ、ＮＯｘ、ＨＣ等の有害物質が含まれる。このため、燃焼室から排出される排気ガスは、内燃機関の排気系に設けられた触媒（例えば、三元触媒）により浄化され、外部へと排出される。従来から、排気ガスを浄化するための触媒の劣化度を検出し、必要に応じて触媒の活性を復元させる処理（例えば、還元処理）を行う機構を備えた内燃機関が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

触媒の劣化検出には、例えば空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）や酸素センサ等が用いられる。これらのセンサは、排気ガス中の水素の影響により検出精度が低下する。近年、空燃比センサにおける検出精度の低下を抑制するために、空燃比センサの電極に水素成分を浄化する触媒層を設ける技術が知られている（例えば、特許文献２を参照）。

特開２００４−３５３５４１号公報 特開２００２−１８１７６９号公報

上述のように、空燃比センサは、排気ガス中の水素の影響により検出精度が低下してしまう。しかし、空燃比センサに設けられる水素浄化用の触媒層は、空燃比センサ自身の構成部品であるため、空燃比センサによる劣化判定を行うことが難しいという課題があった。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、複数種類の燃料を使用可能な内燃機関において、空燃比センサに設けられた触媒層の劣化を検出可能な制御装置を提供することを目的とする。

本内燃機関の制御装置は、第１燃料及び前記第１燃料より燃焼時の水素発生量が少ない第２燃料を燃焼するための燃焼室と、前記燃焼室からの排気ガスが導入される排気路と、前記排気路に設けられ、前記排気ガスを浄化する第１触媒と、前記第１触媒の劣化度を取得する劣化度取得手段と、前記劣化度取得手段に設けられ、水素成分を浄化する第２触媒と、前記第１燃料の使用時に取得された前記第１触媒の第１劣化度と、前記第２燃料の使用時に取得された前記第１触媒の第２劣化度を比較して、前記第２触媒の劣化を判定する判定手段と、を備える。

上記構成において、前記判定手段は、前記第１劣化度と前記第２劣化度との比に基づいて、前記第２触媒の劣化を判定する構成とすることができる。

上記構成において、前記判定手段は、前記第２劣化度に対する前記第１劣化度の比である第１判定値が１より大きい場合に、前記第２触媒の劣化が生じていると判定する構成とすることができる。

上記構成において、前記判定手段は、前記第１判定値が１より大きく且つ前記第１判定値の増加率である第２判定値が所定の閾値より大きい場合に、前記第１燃料の使用時において前記第２触媒の劣化が生じていると判定し、前記第１判定値が１より大きく且つ前記第２判定値が所定の閾値より小さい場合に、前記第１燃料及び前記第２燃料の使用時において前記第２触媒の劣化が生じていると判定する構成とすることができる。

上記構成において、前記劣化度取得手段は、前記第１触媒の酸素吸蔵能力に基づいて、前記第１触媒の劣化度を取得する構成とすることができる。

上記構成において、前記劣化度取得手段は、燃焼時の空燃比をリッチ及びリーンに交互に変化させるアクティブ制御時におけるリーン保持時間に基づいて、前記第１触媒の劣化度を取得する構成とすることができる。

本内燃機関の制御装置は、複数種類の燃料を燃焼可能な燃焼室と、前記燃焼室からの排気ガスが導入される排気路と、前記排気路に設けられ、前記排気ガスを浄化する第１触媒と、前記第１触媒の劣化度を取得する劣化度取得手段と、前記劣化度取得手段に設けられ、水素成分を浄化する第２触媒と、各燃料の使用時に取得された前記劣化度を比較して、前記第２触媒の劣化を判定する判定手段と、を備える。

本発明によれば、複数種類の燃料を使用可能な内燃機関において、空燃比センサに設けられた触媒層の劣化を検出可能な内燃機関の制御装置を提供することができる。

図１は、比較例及び実施例１に係る内燃機関の全体構成を示す図である。 図２は、三元触媒の劣化検出動作を示すタイミングチャート（その１）である。 図３は、三元触媒の劣化検出動作を示すタイミングチャート（その２）である。 図４は、空燃比センサに設けられた水素浄化触媒の劣化度と、リーン保持時間及びリーン保持時間比との関係を示すグラフである。 図５は、空燃比センサに設けられた水素浄化触媒の劣化検出動作を示すフローチャートである。

最初に、比較例に係る内燃機関について説明する。
（比較例）

図１は、比較例に係る内燃機関１００の全体構成を示す図である。内燃機関１００は、ＣＮＧやＬＰＧ（Liquefied petroleum gas）等の気体燃料や、ガソリン等の液体燃料を含む複数種類の燃量を切り替えて使用可能な、所謂バイフューエルの内燃機関１００である。以下の説明では、気体燃料としてＣＮＧを、液体燃料としてガソリンを使用する例について説明する。

内燃機関１００は複数の燃焼室１０を備え、各燃焼室１０はシリンダブロック１１及びシリンダヘッド１２により区画されている。燃焼室１０には、ＣＮＧを室内に噴射するためのガスインジェクタ１３、ガソリンを室内に噴射するためのガソリンインジェクタ１４、及び燃料に点火を行うための点火プラグ１５が設けられている。ガスインジェクタ１３は、ガス供給管２０を介してＣＮＧ貯蔵タンク２２に接続されており、ガソリンインジェクタ１４は、ガソリン供給管２１を介してガソリン貯蔵タンク２３に接続されている。燃焼室１０内において、ＣＮＧまたはガソリンを含む混合気を燃焼させ、ピストン１８を往復運動させることで、動力を得ることができる。

燃焼室１０の吸気側に連通する吸気ポート３０は、吸気マニホールド３１を介してサージタンク３２に接続されている。サージタンク３２は、スロットルバルブ３３が設けられた吸気ダクト３４を介して、エアクリーナー３５に接続されている。燃焼室１０と吸気ポート３０との間は、吸気弁１６により隔てられている。

燃焼室１０の排気側に連通する排気ポート４０は、排気マニホールド４２を介して排気路４４に接続されている。排気路４４には、排気ガスを浄化するための三元触媒５０と、三元触媒５０の後段に配置されたＮＯｘ浄化触媒５２とが設けられている。燃焼室１０と吸気ポート３０との間は、排気弁１７により隔てられている。

三元触媒５０の前段には空燃比センサ６０が設けられ、ＮＯｘ浄化触媒５２の後段には酸素センサ６２が設けられている。空燃比センサ６０は、排気ガス中に含まれる酸素濃度を検出することにより、空燃比を検出する。酸素センサ６２は、排気ガスがストイキ（理論空燃比）よりリッチまたはリーンのいずれであるかを検出することにより、空燃比を検出する。これらのセンサによる検出結果は、後述するＥＣＵ８０（Engine Control Unit）へと入力される。

内燃機関１００は、制御機構としてＥＣＵ８０を備えている。ＥＣＵ８０には、上記の空燃比センサ６０及び酸素センサ６２の他に、アクセルペダルの操作量を検出するアクセル位置センサ７０や、エンジン回転数を検出する回転数センサ７２からの情報が入力される。ＥＣＵ８０は、上記の各センサからの情報や、予め作成されたマップ等に基づいて、内燃機関１００が所望の出力を発生するように各種の制御を行う。ＥＣＵ８０は、ガスインジェクタ１３及びガソリンインジェクタ１４を制御することにより、ＣＮＧまたはガソリンのうち任意の燃料を燃焼室１０内に噴射して燃焼させる。また、ＥＣＵ８０は、燃料噴射量及び燃料噴射時期等を制御することにより燃焼時の空燃比を制御する。ＥＣＵ８０は他にも、スロットルバルブ３３の開度制御や、吸気弁１６及び排気弁１７の開閉動作等の制御を行う。

排気ガスを浄化するための触媒（三元触媒５０及びＮＯｘ浄化触媒５２）は、時間の経過に従って浄化能力が低下（劣化）する。ＥＣＵ８０は、空燃比センサ６０及び酸素センサ６２の検出結果に基づき、触媒の劣化を判定する。以下、三元触媒５０を例に、触媒の劣化検出動作について説明する。

図２（ａ）及び（ｂ）は、三元触媒５０の劣化検出動作を示すタイミングチャートである。図２（ａ）は、触媒の前段における目標空燃比及び空燃比センサ６０により取得された実際の空燃比を、図２（ｂ）は、触媒の後段において酸素センサ６２により取得された空燃比を示す。図２（ａ）に示すように、ＥＣＵ８０がストイキ（理論空燃比）を中心に、目標空燃比をリッチ及びリーンに交互に変化させる。空燃比を変化させるタイミングは、触媒の後段における空燃比（図２（ｂ））の検出値が、ストイキを超えた時点とする。すなわち、触媒後段の空燃比がリッチからリーンに変化した時、ＥＣＵ８０は目標空燃比をリーンからリッチへと変化させ、触媒後段の空燃比がリーンからリッチに変化した時、ＥＣＵ８０は目標空燃比をリッチからリーンへと変化させる（以上の制御を「アクティブ制御」と称する）。これにより、触媒の前段の空燃比（図２（ａ））も、リーンまたはリッチに交互に変化する。

図中において、触媒の前段における実際の空燃比（太線）と、ストイキとにより囲まれた斜線領域（符号Ａ及びＢ）の面積は、触媒の酸素吸蔵能力を示している。酸素吸蔵能力とは、現状の触媒が吸蔵し得る最大酸素量を示すものであり、触媒の劣化を判定するための指標となる。ＥＣＵ８０は、触媒の酸素吸蔵能力が高い場合は、触媒の劣化があまり進んでいないと判定され、触媒の酸素吸蔵能力が低い場合は、触媒の劣化が一定以上進んでいると判定される。このように、触媒の酸素吸蔵能力に基づいて触媒の劣化度を検出する方法を「Ｃｍａｘ法」と称する。触媒の酸素吸蔵能力は、上記面積の他のパラメータ（例えば、目標空燃比におけるリーン保持時間ｔ１）から求めることもできる。

ここで、排気ガス中に含まれる水素が、上記触媒の劣化判定に影響を及ぼす場合がある。以下、この点について説明する。

図３（ａ）及び（ｂ）は、三元触媒５０の劣化検出動作を示すタイミングチャートであり、図２（ａ）及び（ｂ）よりも排気ガス中の水素含有量が多い場合を示す。図中の斜線部Ｃ及びＤは触媒の酸素吸蔵能力を示し、図２（ａ）及び（ｂ）との関係では「Ａ＝Ｃ、Ｂ＝Ｄ」となっている。図３（ａ）に示すように、水素の影響により、空燃比センサ６０は空燃比を正しい値よりもリッチ寄りに検出している。このため、ストイキの値も実際のストイキに比べてリッチ寄りに誤検出されている。その結果、図３（ｂ）に示すように、目標空燃比におけるリーン保持時間ｔ２が、図２（ｂ）に比べて長くなってしまっている。

バイフューエルの内燃機関１００で使用される２種類の燃料は、燃焼時における水素の発生量が異なる（ＣＮＧとガソリンの場合、ＣＮＧの方が水素の発生量が多い）。従って、実際には触媒の劣化の程度が同じであっても、ＣＮＧ使用時におけるリーン保持時間は、ガソリン使用時におけるリーン保持時間より長くなる。このように、バイフューエルの内燃機関１００においては、使用される燃料により触媒劣化度の検出結果が異なり、触媒の劣化判定の精度が低下してしまう場合がある。

空燃比センサ６０の検出精度の低下を抑制するためには、空燃比センサ６０の電極等に水素成分を浄化する触媒層を設ければよい。しかし、この水素浄化触媒は空燃比センサ自身の構成部品であるため、空燃比センサを用いて劣化判定を行うことが難しい。

以下に記載の実施例では、上記の課題を解決するための内燃機関について説明する。

実施例１に係る内燃機関１００の基本構成は比較例と同じであり、ＥＣＵ８０による触媒劣化の検出動作が異なる。従って、共通する構成については同一の符号を使用し、詳細な説明を省略する。実施例１では、空燃比センサ６０に、水素成分を浄化するための水素浄化触媒（不図示）が設けられている。

図４（ａ）は、劣化度取得手段としての空燃比センサ６０に備えられた水素浄化触媒の劣化度と、目標空燃比におけるリーン保持時間との関係を示すグラフである。燃料としてＣＮＧを使用した場合のリーン保持時間をＴｃ、燃料としてガソリンを使用した場合のリーン保持時間をＴｌとし、Ｔｃのグラフを実線で、Ｔｌのグラフを一点鎖線で示す。また、水素浄化触媒の劣化度を２つの閾値ｘ及びｙ（ｘ＜ｙ）で区切り、水素浄化触媒の劣化度がｘより小さい区間をＸ、水素浄化触媒の劣化度がｘより大きくｙより小さい区間をＹ、水素浄化触媒の劣化度がｙより大きい区間をＺとする。リーン保持時間Ｔｌ及びＴｃは、それぞれ三元触媒５０の酸素吸蔵能力すなわち三元触媒５０の劣化度を示す（以下の説明では、ＣＮＧ使用時におけるリーン保持時間Ｔｃを第１劣化度、ガソリン使用時におけるリーン保持時間Ｔｌを第２劣化度と称する場合がある）。

区間Ｘにおいては、ＣＮＧまたはガソリンのいずれを使用した場合でも、空燃比のリーン保持時間はＴ１で一定である。すなわち、ＣＮＧ使用時及びガソリン使用時のいずれにおいても、水素浄化触媒の劣化（浄化能力の低下）は生じていない。

区間Ｙにおいては、ガソリンを使用した場合におけるリーン保持時間Ｔｌは区間Ｘに続いて一定であるが、ＣＮＧを使用した場合におけるリーン保持時間Ｔｃは水素浄化触媒の劣化が進むにつれて上昇する。すなわち、ＣＮＧ使用時のみ水素浄化触媒の劣化が生じており、ガソリン使用時においては水素浄化触媒の劣化は生じていない。

区間Ｚにおいては、ＣＮＧまたはガソリンのいずれを使用した場合でも、空燃比のリーン保持時間は水素浄化触媒の劣化が進むにつれて上昇する。すなわち、ＣＮＧ使用時及びガソリン使用時のいずれにおいても、水素浄化触媒の劣化が生じている。なお、区間Ｚにおいて、ＣＮＧ使用時におけるリーン保持時間Ｔｃの上昇割合は、ガソリン使用時におけるリーン保持時間Ｔｌの上昇割合より大きい。

図４（ｂ）は、ガソリン使用時におけるリーン保持時間Ｔｌに対するＣＮＧ使用時におけるリーン保持時間Ｔｃの比Ｋを示すグラフである（以下、このＫの値を第１判定値と称する）。図示するように、区間Ｘにおいては、第１判定値Ｋの値は１で一定である。区間Ｙにおいては、第１判定値Ｋは触媒劣化度が大きくなるにつれて増加する。区間Ｚにおいても、第１判定値Ｋは触媒劣化度が大きくなるにつれて増加するが、その増加率は区間Ｙの場合に比べて小さい。

次に、上記の知見に基づき、空燃比センサ６０に設けられた水素浄化触媒の劣化検出方法について説明する。

図５は、空燃比センサ６０に設けられた水素浄化触媒の劣化検出動作を示すフローチャートである。最初に、ＥＣＵ８０が、触媒劣化検出の要求があったか否かを判定する（ステップＳ１０）。ステップＳ１０でＹＥＳの場合、ＥＣＵ８０は前述のアクティブ制御を開始する（ステップＳ１２）。続いて、ＥＣＵ８０は、ＣＮＧ使用時におけるリーン保持時間Ｔｃ（第１劣化度）を取得すると共に（ステップＳ１４）、ガソリン使用時におけるリーン保持時間Ｔｌ（第２劣化度）を取得する（ステップＳ１６）。ここで、ステップＳ１４及びステップＳ１６は、どちらを先に行ってもよい。

次に、ＥＣＵ８０は、ステップＳ１４及びステップＳ１６で取得した第１劣化度Ｔｃ及び第２劣化度Ｔｌから、第１判定値Ｋを算出する（ステップＳ１８）。そして、第１判定値Ｋの値が１であるか否かを判定する（ステップＳ２０）。ステップＳ２０でＹＥＳの場合、ＥＣＵ８０は水素浄化触媒の劣化が生じていないと判定し、触媒劣化検出動作を終了する。

ステップＳ２２でＮＯの場合、ＥＣＵ８０は水素浄化触媒の劣化が生じていると判定し、さらに第１判定値Ｋの所定期間における増加率であるΔＫ（以下、このΔＫを第２判定値と称する）を算出する（ステップＳ２２）。ＥＣＵ８０は、第２判定値ΔＫが、所定の閾値Ｋ１より大きいか否かを判定する（ステップＳ２４）。ステップＳ２４でＹＥＳの場合、ＥＣＵ８０はＣＮＧ使用時において水素浄化触媒の劣化が生じていると判定する（ステップＳ２６）。ステップＳ２４でＮＯの場合、ＥＣＵ８０はＣＮＧ使用時及びガソリン使用時の両方において、水素浄化触媒の劣化が生じていると判定する（ステップＳ２８）。以上のプロセスより、水素浄化触媒の劣化が検出される。

実施例１に係る内燃機関１００は、２種類の燃料（第１燃料及び第２燃料）を切り替えて使用することができ、第１触媒の劣化度を検出する劣化度取得手段（空燃比センサ６０）と、取得された劣化度に基づいて第２触媒の劣化を判定する判定手段とを備えている。ここで、「第１触媒」とは、排気路４４に設けられた排気ガス浄化用の触媒（例えば、三元触媒５０）を指し、「第２触媒」とは、劣化度取得手段（空燃比センサ６０）に設けられた水素浄化用の触媒（不図示）を指す。第１燃料は、第２燃料より燃焼時の水素発生量が多い。また、第１触媒（三元触媒５０）の劣化度は、第１燃料の使用時に第１劣化度を、第２燃料の使用時に第２劣化度をそれぞれ取得する。そして、判定手段としてのＥＣＵ８０が、劣化度取得手段により取得された第１劣化度と第２劣化度とを比較して、第２触媒（水素浄化触媒）の劣化を判定する。

本構成によれば、各燃料の使用時に取得された劣化度（第１劣化度と第２劣化度）をそのまま劣化判定に用いるのではなく、２種類の劣化度を比較して判定を行う。このため、複数種類の燃料を使用可能な内燃機関において、第１触媒の劣化度（三元触媒５０）によらずに、空燃比センサに設けられた水素浄化触媒の劣化を検出することができる。

本実施例では、判定手段としてのＥＣＵ８０が、第１劣化度と第２劣化度との比である第１判定値Ｋに基づいて、触媒の劣化を判定する。第１判定値として第１劣化度と第２劣化度との比を採用することにより、水素浄化触媒の劣化が生じているか否かを精度よく判定することができる。

また、本実施例では、判定手段としてのＥＣＵ８０が、上記第１判定値の増加率である第２判定値に基づいて、水素浄化触媒の劣化を判定する。第１判定値に加えて第２判定値を用いて判定を行うことにより、水素浄化触媒の劣化が水素発生量の多い第１燃料の使用時のみ生じているのか、第１燃料及び第２燃料の両方の使用時において生じているのかを精度よく判定することができる。

本実施例では、ＥＣＵ８０が、第１触媒（三元触媒５０）の劣化度を触媒の酸素吸蔵能力に基づいて求めるＣｍａｘ法を採用した。また、ＥＣＵ８０が、目標空燃比のリーン保持時間から、上記の酸素吸蔵能力を求める構成とした。ただし、第１触媒（三元触媒５０）の劣化度をＣｍａｘ法以外の方法により求めてもよい。また、目標空燃比のリーン保持時間以外のパラメータに基づいて、第１触媒（三元触媒５０）の酸素吸蔵能力を求めてもよい。

本実施例では、燃料の一方を気体燃料、他方を液体燃料とする例について説明し、具体的には第１燃料をＣＮＧ、第２燃料をガソリンとする例について説明した。ただし、燃料として上記に示したもの以外を用いてもよい。また、本実施例では、２種類の燃料を切り替えて使用するバイフューエルの内燃機関について説明したが、本実施例の構成は３種類以上の燃料を切り替えて使用する内燃機関に対しても、同様に適用することができる。

１０ 燃焼室
１３ ガスインジェクタ
１４ ガソリンインジェクタ
３０ 吸気ポート
４０ 排気ポート
４４ 排気路
５０ 三元触媒
５２ ＮＯｘ浄化触媒
６０ 空燃比センサ
６２ 酸素センサ
８０ ＥＣＵ
１００ 内燃機関

Claims (7)

1. 第１燃料及び前記第１燃料より燃焼時の水素発生量が少ない第２燃料を燃焼するための燃焼室と、
   前記燃焼室からの排気ガスが導入される排気路と、
   前記排気路に設けられ、前記排気ガスを浄化する第１触媒と、
   前記第１触媒の劣化度を取得する劣化度取得手段と、
   前記劣化度取得手段に設けられ、水素成分を浄化する第２触媒と、
   前記第１燃料の使用時に取得された前記第１触媒の第１劣化度と、前記第２燃料の使用時に取得された前記第１触媒の第２劣化度を比較して、前記第２触媒の劣化を判定する判定手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記判定手段は、前記第１劣化度と前記第２劣化度との比に基づいて、前記第２触媒の劣化を判定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記判定手段は、前記第２劣化度に対する前記第１劣化度の比である第１判定値が１より大きい場合に、前記第２触媒の劣化が生じていると判定することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記判定手段は、
   前記第１判定値が１より大きく且つ前記第１判定値の増加率である第２判定値が所定の閾値より大きい場合に、前記第１燃料の使用時において前記第２触媒の劣化が生じていると判定し、
   前記第１判定値が１より大きく且つ前記第２判定値が所定の閾値より小さい場合に、前記第１燃料及び前記第２燃料の使用時において前記第２触媒の劣化が生じていると判定することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記劣化度取得手段は、前記第１触媒の酸素吸蔵能力に基づいて、前記第１触媒の劣化度を取得することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記劣化度取得手段は、燃焼時の空燃比をリッチ及びリーンに交互に変化させるアクティブ制御時におけるリーン保持時間に基づいて、前記第１触媒の劣化度を取得することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
7. 複数種類の燃料を燃焼可能な燃焼室と、
   前記燃焼室からの排気ガスが導入される排気路と、
   前記排気路に設けられ、前記排気ガスを浄化する第１触媒と、
   前記第１触媒の劣化度を取得する劣化度取得手段と、
   前記劣化度取得手段に設けられ、水素成分を浄化する第２触媒と、
   各燃料の使用時に取得された前記劣化度を比較して、前記第２触媒の劣化を判定する判定手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。

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